22 quimica dos-nao_metais_capitulo 22

QUÍMICAQUÍMICAA Ciência Central A Ciência Central

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Capítulo 22Capítulo 22Química dos nãoQuímica dos não--metaismetais

David P. WhiteDavid P. White

Capítulo 22© 2005 by Pearson Education

Conceitos gerais: Conceitos gerais: tendencias periódicas etendencias periódicas etendencias periódicas e tendencias periódicas e

reações químicasreações químicas

• Dividimos a tabela periódica em metais, não-metais e metalóides.O át táli t b i l d• O caráter metálico aumenta para baixo em um grupo e ao longo do período.

• O elemento mais metálico está localizado no lado inferior esquerdo• O elemento mais metálico está localizado no lado inferior esquerdo da tabela periódica.

• Os metalóides ficam em uma diagonal do B para o AtOs metalóides ficam em uma diagonal do B para o At.• Com exceção do H, os não-metais são encontrados no lado

superior direito da tabela periódica.supe o d e o d be pe ód c .




• A eletronegatividade é importante quando determinamos se um elemento é um metal: quanto menor a eletronegatividade mais altoelemento é um metal: quanto menor a eletronegatividade, mais alto é o caráter metálico.

• Os compostos formados entre não-metais tendem a serOs compostos formados entre não metais tendem a ser moleculares.

• Ao descermos na tabela periódica as ligações variam.p g ç• Do terceiro período para a frente existem orbitais d disponíveis que

podem participar de ligações.




• O primeiro membro de um grupo pode formar ligações π mais facilmente do que os membros subseqüentesfacilmente do que os membros subseqüentes.

• O Si é bem maior do que o C e o orbital 3p é bem maior do que o orbital 2p, logo, a superposição entre orbitais 3p para formar umaorbital 2p, logo, a superposição entre orbitais 3p para formar uma ligação π3p é significativamente pior do que para uma ligação π2p.

• Já que a ligação π Si-Si é bem mais fraca do que a ligação π C-C, o q g ç q g ç ,Si tende a formar ligações σ.

• Exemplo: o CO2 é um gás, o SiO2 é uma rede sólida.




Reações químicas• Neste capítulo, focaremos nas reações envolvendo O2 (oxidação ou

combustão) e H2O (especialmente transferência de prótons).A õ d b ã l f H O (• As reações de combustão normalmente formam H2O (com compostos contendo H), CO ou CO2 (compostos contendo C), e N2ou NO (com compostos contendo N)ou NO (com compostos contendo N).




Reações químicasÁ• Água, nitrogênio e CO2 são termodinamicamente estáveis, com grandes energias de ligação para as ligações H-O, N≡N, e C=O.


HidrogênioHidrogênio

Isótopos do hidrogênio

gg

Isótopos do hidrogênio• Existem três isótopos para o hidrogênio: Prótio 11H, deutério 21H, e

trítio 3 Htrítio 1H.• O deutério (D) é cerca de 0,0156 % da abundância natural do H.• O trítio (T) é radioativo com uma meia vida de 12 3 anos• O trítio (T) é radioativo com uma meia-vida de 12,3 anos.• O deutério e o trítio são substituídos por H em compostos para

fornecer um marcador molecular Esses compostos são marcadosfornecer um marcador molecular. Esses compostos são marcados, por exemplo D2O.



Isótopos do hidrogênio

gg

Isótopos do hidrogênio• Deuteração (substituição de H por D) resulta em variações

cinéticas nas reações (efeito isótopo cinético)cinéticas nas reações (efeito isótopo cinético).

Propriedades de hidrogênioPropriedades de hidrogênio• O hidrogênio é único.

O hid ê i fi ã l ô i 1 1 l l é• O hidrogênio tem uma configuração eletrônica 1s1, logo, ele é colocado acima do Li na tabela periódica.E t t t H é i ifi ti t ti d• Entretanto, o H é significativamente menos reativo do que os metais alcalinos.



Propriedades do hidrogênio

gg

Propriedades do hidrogênio• O hidrogênio pode ganhar um elétron para formar H-, o qual tem a

configuração eletrônica do He Conseqüentemente o H poderia serconfiguração eletrônica do He. Conseqüentemente, o H poderia ser colocado acima dos halogênios.

• Entretanto, a afinidade eletrônica do H é mais baixa do queEntretanto, a afinidade eletrônica do H é mais baixa do que qualquer halogênio.

• O hidrogênio elementar é um gás incolor e inodoro na temperatura g g pambiente.



Propriedades do hidrogênio

gg

Propriedades do hidrogênio• Já que o H2 é apolar e tem apenas dois elétrons, as forças

intermoleculares são fracas (ponto de ebulição 253°C ponto deintermoleculares são fracas (ponto de ebulição -253 C, ponto de fusão -259°C).

• A entalpia de ligação H-H é alta (436 kJ/mol) Logo, as reaçõesA entalpia de ligação H H é alta (436 kJ/mol). Logo, as reações com hidrogênio são lentas e é necessário um catalisador.

• Quando o hidrogênio reage com o ar, ocorre uma explosão Q g g , p(Hindenburg explodiu em 1937):

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ΔH = -571,7 kJ



Preparação do hidrogênio

gg

Preparação do hidrogênio• No laboratório, o hidrogênio geralmente é preparado pela redução

de um ácidode um ácido.• O Zn é adicionado à uma solução ácida e forma-se bolhas de

hidrogêniohidrogênio.• Hidrogênio borbulha para fora da solução e é coletado em um

frasco.• O frasco de coleta geralmente é preenchido com água, então o

volume de hidrogênio coletado é o volume de água deslocado.


HidrogênioHidrogêniogg



Preparação do hidrogênio

gg

Preparação do hidrogênio• Em grandes quantidades, o hidrogênio pode ser preparado pela

redução do metano na presença de vapor à 1100°C:redução do metano na presença de vapor à 1100 C:CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g)CO(g) + H O(g) → CO (g) + H (g)CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)

Utili ação do hidrogênioUtilização do hidrogênio• O hidrogênio é usado para a produção de amônia e para hidrogenar

ól t i f b i ã d i dóleos vegetais para a fabricação de margarina e gordura.



Utilização do hidrogênio

gg

Utilização do hidrogênio• O hidrogênio é usado para a fabricação de metanol:

CO( ) + 2H ( ) CH OH( )CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g)

Compostos binários de hidrogênio• Três tipos de compostos binários de hidrogênio são formados:

– híbridos iônicos (por exemplo, LiH, preparado a partir det i H)metais e H);

– híbridos metálicos (por exemplo, TiH2, preparado a partir demetais de transição e H) emetais de transição e H) e

– híbridos moleculares (por exemplo, CH4, preparado a partir denão-metais e metalóides e H)


não metais e metalóides e H).

Grupo 8A: gases nobresGrupo 8A: gases nobresp gp g

• Os gases nobres são muito pouco reativos.• Todos os elementos têm altas energias de ionização• Todos os elementos têm altas energias de ionização.• O He é o gás nobre mais importante, uma vez que o hélio líquido é

usado como um líquido refrigeranteusado como um líquido refrigerante.

Compostos de gás nobreCompostos de gás nobre• Os gases nobres mais pesados reagem mais facilmente que os mais

levesleves.• Os compostos mais comuns de gases nobres são os fluoretos de

xenônio


xenônio.

Grupo 8A: gases nobresGrupo 8A: gases nobres

Compostos de gás nobre

p gp g

Compostos de gás nobre• Os fluoretos de xenônio têm o Xe nos estados de oxidação +2 a +8.

N d á fl t d ô i f ifl t• Na presença de água, os fluoretos de xenônio formam oxifluoretos:XeF6(s) + H2O(l) → XeOF4(l) + 2HF

X F ( ) + 3H O(l) X O ( ) + 6HFXeF6(s) + 3H2O(l) → XeO3(aq) + 6HF• O único outro composto de gás nobre conhecido é o KrF2, que se

decompõe à 10°Cdecompõe à -10°C.• Os fluoretos de xenônio são mais estáveis do que os óxidos e do

que os oxifluoretosque os oxifluoretos.


Grupo 7A: halogêniosGrupo 7A: halogêniosp gp g

• Configurações eletrônicas mais externas: ns2np6.T d h l ê i tê d fi id d l t ô i• Todos os halogênios têm grandes afinidades eletrônicas.

• O estado de oxidação mais comum é -1, mas os estados de oxidação +1 +3 +5 e +7 são possíveisoxidação +1, +3, +5 e +7 são possíveis.

• Os halogênios são bons agentes de oxidação.• Todos os isótopos do At são radioativos. p


Grupo 7A: halogêniosGrupo 7A: halogênios

Propriedades e preparação dos halogênios

p gp g

p p p ç g




p gp g

p p p ç g• As propriedades dos halogênios variam regularmente com o seu

número atômico.• Cada halogênio é o elemento mais eletronegativo em seu período.• A entalpia de ligação do F2 é baixa. p g ç 2

• Conseqüentemente, o flúor é muito reativo.• O potencial de redução do flúor é muito alto.p ç




p gp g

Propriedades e preparação dos halogênios• A água é oxidada mais facilmente do que o flúor, logo o F2 não

pode ser preparado por eletrólise de uma solução de sal.• O Cl2 é produzido por eletrólise do NaCl(aq) ou do NaCl(aq).

Utilização dos halogêniosUtilização dos halogênios• Os CFCs são usados como refrigerantes.• Os fluorocarbonos são usados como lubrificantes e plásticosOs fluorocarbonos são usados como lubrificantes e plásticos

(teflon).• O cloro é usado em plásticos (PVC), no dicloroetano e em outros

reagentes químicos orgânicos na indústria têxtil e de papelreagentes químicos orgânicos, na indústria têxtil e de papel.



Utilização dos halogênios

p gp g

Utilização dos halogênios• O NaOCl é o ingrediente ativo dos alvejantes.

O N B é d f t fi• O NaBr é usado em fotografia.

O h l t d hid ê iOs haletos de hidrogênio• O HF tem um alto ponto de ebulição em virtude das fortes ligações

d H lí idde H no líquido.• A facilidade de oxidação aumenta F- > Cl- > Br- > I-.• Os haletos de hidrogênio podem ser formados pela hidrólise de

haletos moleculares:S B ( ) + 3H O(l) H S O ( ) + 4HB ( )


SeBr4(s) + 3H2O(l) → H2SeO3(aq) + 4HBr(aq).


Os haletos de hidrogênio

p gp g

Os haletos de hidrogênio• O HF reage com silicatos (e deve ser armazenado em recipientes

de plástico):de plástico):SiO2(s) + 6HF(aq) → H2SiF6(aq) + 2H2O(l)

• O NaI e o NaBr podem ser oxidados pela adição de ácido sulfúrico• O NaI e o NaBr podem ser oxidados pela adição de ácido sulfúrico.• Após a adição do ácido, o I2 violeta e o Br2 amarelo podem ser

claramente vistosclaramente vistos.• A maioria dos haletos de hidrogênio são preparados pelo tratameto

do sal com ácido sulfúrico:do s co c do su ú co:



Os haletos de hidrogênioCaF2(s) + H2SO4(l) → 2HF(g) + CaSO4(s)

N Cl( ) H SO (l) HCl( ) N HSO ( )NaCl(s) + H2SO4(l) → HCl(g) + NaHSO4(s)• Essas reações não podem ser usadas para o preparo de HBr ou HI.

Compostos Inter-halogênios• Moléculas diatômicas contendo dois halogênios diferentes são• Moléculas diatômicas contendo dois halogênios diferentes são

chamadas de compostos inter-halogênios.• Os compostos inter-halogênios têm o halogênio mais

eletronegativo no estado de oxidação -1 e o outro no estado de oxidação +1.



C t i t h l ê i

p gp g

Compostos inter-halogênios• Existem também compostos inter-halogênios poliatômicos.• A maioria dos inter halogênios poliatômicos tem Cl Br ou I como• A maioria dos inter-halogênios poliatômicos tem Cl, Br, ou I como

o átomo central circundado por 3, 5 ou 7 átomos de F.• Quanto maior é o halogênio, mais compostos inter-halogênios ele Q g , p g

pode formar (por exemplo, ClF5 e BrF7 não são conhecidos).• O composto ICl3 é único. Nenhum outro halogênio é grande o

suficiente para acomodar 3 átomos de Clsuficiente para acomodar 3 átomos de Cl.



Oxiácidos e oxiânions• O flúor forma apenas um oxiácido: HFO. O oxigênio está no

estado de oxidação zero.• A força do ácido aumenta à medida que o estado de oxidação do

h l ê ihalogênio aumenta.• Todos são agentes de oxidação fortes.

d i á i d f il• Todos são instáveis e se decompõem facilmente.• Os oxiânions são mais estáveis do que os oxiácidos.



Oxiácidos e oxiânions

p gp g

Oxiácidos e oxiânions



O iá id iâ i

p gp g

Oxiácidos e oxiânions• Os sais de hipoclorito são usados em alvejantes e desinfetantes.• Os percloratos são particularmente instáveis na presença de

material orgânico.O l t d ô i é t t id t• O perclorato de amônio é um potente oxidante.

• Na presença de alumínio em pó, o NH4ClO3 é usado para o lançamento de ônibus espaciaislançamento de ônibus espaciais.

• Cada lançamento utiliza 700 toneladas de clorato de amônio.



O iá id iâ i

p gp g

Oxiácidos e oxiânions• Os ácidos periódico (HIO4) e paraperiódico (H5IO6) têm o iodo no

t d d id ã +7estado de oxidação +7.• O ácido periódico é um ácido forte, o ácido paraperiódico é um

ácido fraco (K = 2 8 × 10-2 K = 4 9 × 10-9)ácido fraco (Ka1 = 2,8 × 10 2, Ka2 = 4,9 × 10 9).• O grande átomo de iodo permite 6 átomos de oxigênio à sua volta.• Os halogênios menores não conseguem formar esse tipo de• Os halogênios menores não conseguem formar esse tipo de

composto.


OxigênioOxigênio

Propriedades do oxigênio

gg

Propriedades do oxigênio• O oxigênio tem dois alótropos: O2 e O3.

O O é á i l i d t t bi t• O O2 é um gás incolor e inodoro na temperatura ambiente.• A configuração eletrônica é [He]2s22p4, o que significa que o

estado de oxidação dominante é 2estado de oxidação dominante é -2.• A ligação O=O é forte (entalpia de ligação 495 kJ/mol).

Preparação do oxigênio• Comercialmente: obtido por destilação fracionária do ar. (o ponto

de ebulição normal do O2 é -183°C e do N2 é -196°C.)


OxigênioOxigênio

P ã d i ê i

gg

Preparação do oxigênio• A preparação do oxigênio no laboratório é a decomposição

t líti d KClO d M Ocatalítica do KClO3 na presença de MnO2:2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g).

O i ê i t fé i é b t id l f t í t (• O oxigênio atmosférico é reabastecido pela fotossíntese (processo nas plantas onde CO2 é convertido em O2 na presença da luz solar).


OxigênioOxigênio

U d i ê i

gg

Usos do oxigênio• Amplamente utilizado como um agente oxidante (Por exemplo, na

i dú t i d ã d i )indústria de aço para a remoção de impurezas.)• O oxigênio é usado na medicina.

El é d til C H ld d i til• Ele é usado com acetileno, C2H2 para a solda de oxiacetileno:2C2H2(g) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 2H2O(g)

Ozônio• Gás venenoso, azul claro.


OxigênioOxigênio

O ô i

gg

Ozônio• O ozônio se decompõe para formar oxigênio:

O3(g) → O2(g) + O(g), ΔH° = 107 kJ.• O ozônio é um agente oxidante mais forte do que o oxigênio:

O3(g) + 2H+(aq) + 2e- → O2(g) + H2O(l), E° = 2,07 VO2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O(l), E° = 1,23 V.

• O ozônio pode ser preparado pela passagem de uma corrente elétrica através do O2 seco:

3O2(g) → 2O3(g)


OxigênioOxigêniogg


OxigênioOxigênio

Óxidos

gg

Óxidos• O oxigênio é o segundo elemento mais eletronegativo.• Óxidos: composto com oxigênio no estado de oxidação 2• Óxidos: composto com oxigênio no estado de oxidação -2.• Óxidos de não-metais: covalentes.• Óxidos metálicos: iônicosÓxidos metálicos: iônicos. • Óxidos básicos: óxidos que reagem com água para formar bases.• Exemplo: BaO em água o qual produz Ba(OH)2. p g q p ( )2

BaO(s) + H2O(l) → Ba(OH)2(aq)


OxigênioOxigênio

Peróxidos e superóxidos

gg

Peróxidos e superóxidos• Peróxidos: têm uma ligação O-O e O no estado de oxidação -1.

O ó id d hid ê i é i tá l d õ á– O peróxido de hidrogênio é instável e se decompõe em água e oxigênio:

2H O (l) → 2H O(l) + O (g) ΔH = 196 0 kJ2H2O2(l) → 2H2O(l) + O2(g), ΔH = -196,0 kJ.– O oxigênio produzido matará bactérias.

Os peróxidos são importantes na bioquímica: ele é produzido– Os peróxidos são importantes na bioquímica: ele é produzido quando o O2 é metabolizado.


OxigênioOxigênio

Peróxidos e superóxidos

gg

Peróxidos e superóxidos• Superóxidos: têm uma ligação O-) e O em um estado de oxidação -

½ (o íon superóxido é O -)½ (o íon superóxido é O2 ).– Normalmente se formam com metais ativos (KO2, RbO2 e

CsO2)CsO2).• O desproporcionamento ocorre quando um elemento é

simultaneamente oxidado e reduzido:2H+(aq) + H2O2(aq) + 2e- → 2H2O(l), E° = 1,78 VO2(g) + 2H+(aq) + 2e- → 2H2O2(aq), E° = 0,68 VO2(g) (aq) e → 2O2(aq), 0,68 V

• Desproporcionamento: 2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g), E° =1,10 V.


1,10 V.

Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 6A: S Se Te e Po6A: S Se Te e Po

C t í ti i d l t d 6

6A: S, Se, Te, e Po6A: S, Se, Te, e Po

Características gerais dos elementos do grupo 6a• Configuração eletrônica externa: ns2np4.• Estado de oxidação dominante: -2 (ns2np6).• Outros estados de oxidação observados: até +6 (por exemplo, SF6,

S F T F )SeF6, TeF6).• Há uma variação regular nas propriedades com o aumento do

número atômiconúmero atômico.



C t í ti i d l t d 6


Características gerais dos elementos do grupo 6a



Ocorrências e preparação de S Se e Te


Ocorrências e preparação de S, Se e Te• Processo de Frasch: recuperação de depósitos subterrâneos de S.• A água superaquecida é forçada para dentro do depósito para• A água superaquecida é forçada para dentro do depósito para

fundir o S.• O ar comprimido é então injetado dentro do depósito de enxofre, o p j p ,

que força o S(l) para a superfície.• Ocorrência de S: vastamente como minerais de sulfato e sulfeto.• Ocorrência de Se e Te: minerais raros (Cu2Se, PbSe, Ag2Se, Cu2Te,

PbTe, Ag2Te, e Au2Te) e constituintes secundários em minerais de sulfetosulfeto.


Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 6A: S Se Te e Po6A: S Se Te e Po6A: S, Se, Te, e Po6A: S, Se, Te, e Po



Propriedades e usos de enxofre selênio e telúrio


Propriedades e usos de enxofre, selênio e telúrio• O enxofre é amarelo, sem sabor e quase inodoro.

O f é i lú l á• O enxofre é insolúvel em água.• O enxofre existe como alótropos (anéis rômbicos de S8, enxofre

plástico)plástico).• O enxofre usado na fabricação de ácido sulfúrico e na vulcanização

da borrachada borracha.• Tanto o Se como o Te formam cadeias helicoidais de átomos nos

cristais.c s s.



Propriedades e usos de enxofre selênio e telúrio


Propriedades e usos de enxofre, selênio e telúrio • Existe algum compartilhamento de pares de elétrons entre as

cadeias.cadeias.• O Se é usado em células fotoelétricas, fotocopiadoras e medidores

de luz porque ele conduz eletricidade na presença de luz.

Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre• O ácido sulfúrico é um poderoso agente de desidratação, ácido

forte e oxidante moderado.



Ó


Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre• O ácido sulfúrico remove a H2O do açúcar, deixando uma massa

t d C P d ã é it té ipreta de C. Produz-se vapor porque a reação é muito exotérmica.• O SO2 é produzido pela reação entre ácido e um sal de sulfito:

2H+(aq) + SO 2-(aq) → SO (g) + H O(l)2H+(aq) + SO32 (aq) → SO2(g) + H2O(l)

ou quando o S sofre combustão no ar.• O SO2 é tóxico para fungos e é usado para esterilizar frutas secasO SO2 é tóxico para fungos e é usado para esterilizar frutas secas.• O SO2 em água produz ácido sulfuroso, H2SO3.



Ó


Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre• O Na2SO3 e o NaHSO3 são usados como preservantes.• Quando o enxofre queima no ar, são formados tanto SO2 (produto

principal) quanto SO3.• A oxidação do SO2 a SO3 necessita de um catalisador

(normalmente V2O5 ou Pt).O SO é d d i SO• O SO3 é usado para produzir H2SO4:

SO3(g) + H2SO4(l) → H2S2O7(l) [ácido polissulfúrico]H2S2O7(l) + H2O(l) → 2H2SO4(l)


Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 6A: S Se Te e Po6A: S Se Te e Po6A: S, Se, Te, e Po6A: S, Se, Te, e Po

Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre• O ácido sulfúrico comercial é 98 % de H2SO4.2 4

• Apenas o primeiro próton é removido do H2SO estequiometricamente:

H2SO4(aq) → HSO4-(aq) + H(aq)

• Conseqüentemente, sais de sulfato (SO42-) e de bissulfato (HSO4

-) são importantes (“ácido seco” na limpeza de piscinas e banheiros).



Óxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre

6A: S, Se, Te, e Po6A: S, Se, Te, e PoÓxidos, oxiácidos e oxiânions de enxofre

• O íon sulfato é o SO42- e o íon tiossulfato é o S2O3

2- (tio = um átomo de O substituído por S):

28SO3-(aq) + S8(s) → 8S2O3

2-(aq)• O hipossulfito (usado em fotografia) é o Na2S2O3.5H2O.

O filme fotográfico é uma mistura de cristais de AgBr em– O filme fotográfico é uma mistura de cristais de AgBr em gelatina.

– A exposição à luz faz com que o AgBr se decomponha em prata.

– Quando o filme é suavemente reduzido (revelado) apenas os íons Ag+ próximos à prata formam uma imagem de prata preta g p p g p pmetálica.

• O filme é tratado com hipossulfito para remover o AgBr não exposto


exposto.

NitrogênioNitrogênio

P i d d d it ê i

gg

Propriedades do nitrogênio• Gás incolor, inodoro e sem gosto constituído de moléculas de N2.• Não reativo por causa da forte ligação tripla.• Exceção: a queima de Mg ou Li ao ar (78 % nitrogênio):

3Mg(s) + N2(g) → Mg3N2(s)6Li(s) + N2(g) → 2Li3N(s)

• O N3- é uma base de Lewis forte (forma NH3 em água):

Mg3N2(s) + 6H2O(l) → 2NH3(aq) + 3Mg(OH)3(s)


NitrogênioNitrogêniogg

Propriedades do nitrogêniop g• Diversos estados de oxidação

comuns (de -3 a +5). Mais comum +5, 0 e -3 (configuração eletrônica [He]2s22p3).



P ã tili ã d it ê i

gg

Preparação e utilização do nitrogênio• O N2 é produzido pela destilação fracionária do ar.• O nitrogênio é usado como um gás inerte para excluir oxigênio de

alimentos acondicionados, fabricação de reagentes químicos, fabricação de metais e produção de aparelhos eletrônicosfabricação de metais e produção de aparelhos eletrônicos.

• O nitrogênio é fixado pela formação de NH3 (processo de Haber).• O NH é convertido em outros químicos úteis (NO NO nitritos e• O NH3 é convertido em outros químicos úteis (NO, NO2, nitritos e

nitratos).



P ã tili ã d it ê i

gg

Preparação e utilização do nitrogênio



Compostos de nitrogênio com hidrogênio

gg

Compostos de nitrogênio com hidrogênio• A amônia é um dos compostos de nitrogênio mais importantes.• A amônia é um gás tóxico incolor com um aroma pungente• A amônia é um gás tóxico incolor com um aroma pungente.• No laboratório, a amônia é produzida pela reação entre o NaOH e

um sal de amônio:um sal de amônio:NH4Cl(aq) + NH3(aq) → NH3(g) + H2O(l) + NaCl(aq)

• A amônia é preparada comercialmente pelo processo de HaberA amônia é preparada comercialmente pelo processo de Haber.



C t d it ê i hid ê i

gg

Compostos de nitrogênio com hidrogênio• A hidrazina, N2H4, contém uma ligação simples N-N.• A hidrazina (venenosa) é preparada pela reação entre a amônia e o

hipoclorito:2NH ( ) + OCl ( ) N H ( ) + Cl ( ) + H O(l)2NH3(aq) + OCl-(aq) →N2H4(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)

• O NH2Cl venenoso é um intermediário na reação (ele borbulha para fora da solução quando amônia caseira e alvejante sãopara fora da solução quando amônia caseira e alvejante são misturados).



C t d it ê i hid ê i

gg





gg

p g g• A hidrazina pura é um líquido oleoso que explode quando

aquecido:N2H4(l) + O2(g) → N2(g) + 2H2O(g) ΔH° = -534 kJ

ÓÓxidos e oxiácidos do nitrogênio• Três óxidos comuns: N2O (gás hilariante, usado como um

té i ) NO ( á tó i i l d d t éanestésico), NO (gás tóxico e incolor, pode ser preparado através da redução do HNO3 pelo Cu) e NO2 (gás amarelado, constituinte principal da névoa, e venenoso).p p )



Ó id iá id d it ê i

gg

Óxidos e oxiácidos do nitrogênio• Preparação:

NH NO ( ) → NO ( ) + 2H O( )NH4NO3(s) → NO2(g) + 2H2O(g)3Cu(g) + 2NO3

-(aq) + 8H+(aq) → 3Cu2+(aq) + 2NO(g) + 4H2O(l)4NH3(g) +5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (processo de Ostwald)4NH3(g) +5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (processo de Ostwald)4HNO3(aq) → 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l) (na presença de luz)

• O processo de Ostwald é a rota comercial para o NO:4NH3(g) +5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) (processo de Ostwald)


NitrogênioNitrogênioggÓxidos e oxiácidos do

it ê initrogênio• Ela ocorre em 3 etapas:

– oxidação da NH3 pelo oxigêniopara formar NO (normalmente é

d t li d Pt)usado um catalisador Pt);– oxidação do NO pelo oxigênio

para formar NO (o NO que nãopara formar NO2 (o NO que nãoreagiu é reciclado);

– NO2 é dissolvido em água paraNO2 é dissolvido em água paraformar ácido nítrico.



Ó

gg

Óxidos e oxiácidos do nitrogênio• O nitrogênio desproporciona-se na produção de ácido nítrico:

3NO2(g) + H2O(l) → 2H+(aq) + 2NO3-(aq) + NO(g)

• O NO é um neurotransmissor muito importante (faz com que os músculos que recobram os vasos sanguíneos relaxem).

• Ácidos comuns: HNO3 (nítrico) e HNO2 (nitroso).• O ácido nítrico é um ácido forte.



Ó id iá id d it ê i

gg

Óxidos e oxiácidos do nitrogênio• O ácido nítrico concentrado oxidará a maior parte dos metais:

NO3-(aq) + 2H+(aq) + e- → NO2(g) + H2O(l), E° = 0,79 V

NO3-(aq) + 4H+(aq) + 3e- → NO2(g) + 2H2O(l), E° = 0,96V

• O ácido nítrico é usado para a fabricação de fertilizantes (NH4NO3), remédios, plásticos e explosivos.O á id i (f K 4 5 10 4) ã é á l• O ácido nitroso (fraco, Ka = 4,5 × 10-4) não é estável e desproporciona-se em NO e HNO3.


Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 5A: P As Sb e Bi5A: P As Sb e Bi

C t í ti i d l t d 5A

5A: P, As, Sb, e Bi5A: P, As, Sb, e Bi

Características gerais dos elementos do grupo 5A• Configuração eletrônica do orbital mais externo ns2np3.• Estado de oxidação mais comum -3. Outros estados de oxidação

comuns -1, +1, +3 e +5.A i ã i d d tô i é it i i t• A variação nas propriedades atômicas é muito impressionante.

• As entalpias de ligação X-X não são confiáveis.



Características gerais dos elementos do grupo 5A

5A: P, As, Sb, e Bi5A: P, As, Sb, e BiCaracterísticas gerais dos elementos do grupo 5A



Ocorrência, isolamento e propriedades do fósforo

5A: P, As, Sb, e Bi5A: P, As, Sb, e BiOcorrência, isolamento e propriedades do fósforo• Existem dois alótropos do fósforo: vermelho e branco.• O fósforo branco é altamente reativo (reage espontaneamente com• O fósforo branco é altamente reativo (reage espontaneamente com

oxigênio ao ar).• Conseqüentemente, o fósforo branco é armazenado na água.Conseqüentemente, o fósforo branco é armazenado na água.• Se o fósforo branco é aquecido à 400°C na ausência de ar, ele se

converte em fósforo vermelho.• O fósforo vermelho é o alótropo mais estável e normalmente não é

armazenado sob água.


Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 5A: P As Sb e Bi5A: P As Sb e Bi5A: P, As, Sb, e Bi5A: P, As, Sb, e Bi

Haletos de fósforo• O fósforo forma uma variedade de tri- e pentahaletos.• O mais importante: PCl3 usado em sabão, detergente, plástico e na

produção de inseticida.• Preparação de haletos de fósforo:

2P(s) + 3Cl2(g) → 2PCl3(l)• Na presença de cloro em excesso:

PCl3(l) + Cl2(g) PCl5(s)



H l t d fó f

5A: P, As, Sb, e Bi5A: P, As, Sb, e Bi

Haletos de fósforo• Exceção: uma vez que o F2 é um oxidante forte, obtemos

2P(s) + 5F2(g) → 2PCl5(g)• Na presença de água a hidrólise ocorre facilmente:

PF3(g) + 3H2O(l) → H3PO4(aq) + 3HF(aq)PCl5(l) + 4H2O(l) → H3PO4(aq) + 5HCl(aq)

Compostos oxi de fósforo• Os compostos de fósforo contendo oxigênio são extremamente

importantes.



Compostos oxi de fósforo• O óxido de fósforo(III), P4O6 é preparado através da reação de

fósforo branco com ar.• O óxido de fósforo(V), P4O10 é preparado através da reação de

fó f d i ê ifósforo com excesso de oxigênio.• O óxido de fósforo(V), P4O10 é também preparado através da

oxidação do P Ooxidação do P4O6.• No caso de ambos os óxidos de fósforo, os átomos de P ainda

adotam a estrutra tetraédrica (Isto é os átomos de P se encontramadotam a estrutra tetraédrica. (Isto é, os átomos de P se encontram nos vértices de um tetraedro.)



Compostos oxi de fósforo• O óxido de fósforo(III), P4O6 produz ácido fosforoso, H3PO3 em

água. • O H3PO3 é um ácido diprótico fraco (o H ligado ao P não é ácido).• O óxido de fósforo(V), P4O10 produz ácido fosfórico, H3PO4.• O P4O10 é usado como um agente de secagem por causa de sua

fi id d áafinidade com a água.• O ácido fosfórico é um dos ingredientes da Coca-Cola.



Compostos oxi de fósforo• Os ácidos fosfórico e fosforoso sofrem reações de condensação.• O ácido fosfórico e seus sais são usados em detergentes (como

Na5P3O10) e fertilizantes (de rochas fosfáticas extraídas de minas).• Os compostos de fósforo são importantes em sistemas biológicos

como o trifosfato de adenosina (ATP) que armazena energia nas célulascélulas.


CarbonoCarbono

Formas elementares do carbonoFormas elementares do carbono• O carbono constitui aproximadamente 0,027 % da crosta terrestre.

É i i l tit i t d té i i• É o principal constituinte da matéria viva.• O estudo dos compostos de carbono é chamado de química

orgânicaorgânica.• Existem três formas cristalinas do carbono:

grafita (macia e preta)– grafita (macia e preta),– diamante (claro, duro e forma uma rede covalente) e

b k i t f l (f l l d b C– buckminsterfulereno (forma molecular do carbono, C60, asmoléculas são parecidas com bolas de futebol).


CarbonoCarbono

Formas elementares do carbono• Formas Microcristalinas e amorfas do C:

– Carbono preto (CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2H2O(g)): usadocomo um pigmento em tintas pretas e pneus de automóveis;

– Carvão vegetal (formado pelo aquecimento da madeira naausência de ar): carvão ativado é usado para a remoção deodores e impurezas do ar e da água eodores e impurezas do ar e da água, e

– Coque (formado pelo aquecimento de carvão na ausência de ar): usado como um agente de reduçãousado como um agente de redução.


CarbonoCarbono

ÓÓxidos de carbono• O carbono forma CO e CO2.• CO é muito tóxico (se liga irreversivelmente ao Fe na

hemoglobina, provocando parada respiratória).• O CO também tem um par solitário no C, o que não é normal.• O CO é uma boa base de Lewis (por exemplo, o Ni(CO)4 forma-se

f il d i é id CO)facilmente quando o Ni é aquecido em CO).• O CO pode ser usado como um combustível (por exemplo, 2CO(g)

+ O ( ) → 2CO ( ) ΔH 566 kJ)+ O2(g) → 2CO2(g), ΔH = -566 kJ).


CarbonoCarbono

ÓÓxidos de carbono• O CO é um bom agente redutor (por exemplo, Fe3O4(s) + 4CO(g)

→ 3Fe(s) + 4CO2(g)).• O CO2 é produzido quando compostos orgânicos são queimados

i ê iem oxigênio:C(s) + O2(g) → CO2(g)

C ( ) 2O ( ) CO ( ) 2 O(l)CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)

• O CO2 é produzido pelo tratamento de carbonatos com ácido.


CarbonoCarbono

ÓÓxidos de carbono• A fermentação do açúcar para produzir álcool também produz CO2:

C6H12O6(aq) → 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)• Sob pressão atmosférica, o CO2 condensa-se para formar CO2(s)

ou gelo seco.• O CO2 é usado como gelo seco (refrigeração), carbonação de

b bid d ( CO 10 O) bi b d ódibebidas, soda (Na2CO3.10H2O) e bicarbonato de sódio (NaHCO3.10H2O).


CarbonoCarbono

Á id bô i b tÁcido carbônico e carbonatos• Quando o CO2 se dissolve em água (moderadamente solúvel),

f á id bô iforma-se ácido carbônico:CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq)

O á id bô i é á l f à b bid• O ácido carbônico é responsável por fornecer às bebidas carbonadas um acentuado gosto ácido.

• A neutralização parcial do H CO produz hidrogeno carbonatos• A neutralização parcial do H2CO3 produz hidrogeno carbonatos (bicarbonatos), e a neutralização completa produz carbonatos.

• Muitos minerais contêm CO 2-• Muitos minerais contêm CO3 .


CarbonoCarbono

ÁÁcido carbônico e carbonatos• A temperaturas elevadas o CaCO3 decompõe-se:

CaCO3(s) → CaO(s) + 2CO2(g)• Essa reação é a fonte comercial de cal, CaO.• O CaO reage com água e com o CO2 para formar o CaCO3, que

liga a areia na argamassa:CaO(s) + H2O(l) Ca2+(aq) + 2OH-(aq)

Ca2+(aq) + 2OH-(aq) + CO2(aq) → CaCO3(s) + H2O(l)


CarbonoCarbono

Carbetos• Os carbetos são compostos binários entre C e metais, metalóides e

determinados não-metais.• Três tipos de carbetos:

– iônico (formado por metais ativos, por exemplo, CaC2),– intersticial (formado por metais de transição, por exemplo,

b d ê i )carbeto de tungstênio) e– covalente (formado por B e Si, por exemplo, SiC).


CarbonoCarbono

Outros compostos inorgânicos de carbonoOutros compostos inorgânicos de carbono• A química inorgânica é o estudo dos compostos dos elementos

diferentes de C.• Dois compostos inorgânicos de carbono interessantes são HCN e

CS2.• O HCN (cianeto de hidrogênio) é um gás extremamente tóxico• O HCN (cianeto de hidrogênio) é um gás extremamente tóxico.• O HCN é produzido pela reação de um sal, por exemplo, NaCN,

com ácido.• Os cianetos são usados na fabricação de plásticos como o náilon e

o Orlon.


CarbonoCarbono

Outros compostos inorgânicos de carbonop g• O CS2 é um importante solvente para ceras e graxas.• O vapor de CS2 é muito tóxico.O vapor de CS2 é muito tóxico.


Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 4A: Si Ge Sn e Pb4A: Si Ge Sn e Pb

Tendências gerais dos elementos do grupo 4A

4A: Si, Ge, Sn, e Pb4A: Si, Ge, Sn, e PbTendências gerais dos elementos do grupo 4A

• Configuração eletrôncia externa: ns2np2.• As eletronegatividades são baixas• As eletronegatividades são baixas.• Os carbetos (C4-) são raros.• O estado de oxidação dominante para Ge Sn e Pb é +2• O estado de oxidação dominante para Ge, Sn e Pb é +2.• O carbono tem um número e coordenação 4, os outros membros

têm números de coordenação mais altostêm números de coordenação mais altos.• As ligações C-C são muito fortes, logo, o C tende a formar longas

cadeias.



T dê i i d l t d 4A

4A: Si, Ge, Sn, e Pb4A: Si, Ge, Sn, e Pb

Tendências gerais dos elementos do grupo 4A• Uma vez que a ligação Si-O é mais forte do que a ligação Si-Si, o

Si t d f ó id ( ili t )Si tende a formar óxidos (silicatos).


Outros elementos do grupo Outros elementos do grupo 4A: Si Ge Sn e Pb4A: Si Ge Sn e Pb4A: Si, Ge, Sn, e Pb4A: Si, Ge, Sn, e Pb

Ocorrência e preparação do silício• Bolachas de Si são cortadas de cristais cilíndricos de Si.• O silício tem muitos usos importantes na indústria eletrônica.• O Si é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre.• O Si elementar é preparado pela redução do SiO2:

SiO2(l) + 2C(s) → Si(l) + 2CO(g)• O Si é um semicondutor e, deste modo, deve ser extremamente

puro.



O ê i ã d ilí i


Ocorrência e preparação do silício• Para purificar, converta o Si impuro em SiCl4 (com Cl2), destile e

tã d SiCl Sientão reduza o SiCl4 em Si puro:SiCl4(g) + 2H2(g) → Si(s) + 4HCl(g)

O Si é tã di i l t ifi d l fi ã d• O Si é então adicionalmente purificado pela refinação de zona.• A refinação de zona é usada para produzir Si ultrapuro.

O i l d ilí i é l d d d b• O cristal de silício é colocado dentro de um tubo com uma atmosfera inerte.U i l d i t é l t t id b i• Uma espiral de aquecimento é lentamente movida para baixo em Si.



Ocorrência e preparação

4A: Si, Ge, Sn, e Pb4A: Si, Ge, Sn, e Pbp p ç

do silício• À medida que a espiral derrete o Si• À medida que a espiral derrete o Si,

quaisquer impurezas se dissolvem e descem pela espiral de p paquecimento.

• No fundo do cristal, a porção de Si contendo todas as impurezas é arrancada e descartada.

i l l• O cristal restante é ultrapuro.



Silicatos• 90 % da crosta terrestre é constituída de compostos de Si e O.• Os silicatos são compostos onde o Si tem quatro átomos de O

circundados em um arranjo tetraédrico.• O estado de oxidação do Si é +4.• Outros minerais, como o zircônio, ZrO4, têm uma estrutura similar.• O tetraedro de silicato são unidades básicas para estruturas mais

complicadas.



Silicatos• Se dois SiO4

2- se ligam, um átomo de O é compartilhado.

• Esta estrutura é o íon disilicato, Si2O76-.

• Para se determinar a carga no íon, g ,precisamos olhar os estados de oxidação (+4 para o Si e -2 para o O): {[2×(+4)]

[7 ( 20]} 6+[7×(-20]} = -6.



Silicatos• Tanto a torteveita (Sc2Si2O7) como a hardistonita (Ca2Zn(Si2O7))

contêm íons disilicato.• Muitos tetraedros de silicato podem se ligar para formar chapas,

d i 3Dcadeias ou estruturas em 3D.• Considere uma estrutura com dois vértices ligados a dois outros

tetraedros:tetraedros: – uma cadeia simples de fios de silicato pode se formar com uma

unidade de Si O 4- que se repeteunidade de Si2O6 que se repete. – Exemplo: enstatito (MgSiO3).



Sili t


Silicatos• Considere uma estrutura com dois vértices ligados a outros três

t t dtetraedros:– resulta em uma chapa bidimensional.

lt t l i l (t l M (Si O ) (OH) )– resulta em talco mineral (talco, Mg3(Si2O5)2(OH)2).– os asbestos formam cadeias ou chapas de silicatos.

h b ã f d l– as chapas em asbestos são formadas em rolos.– os rolos tornam os asbestos fibrosos.– as fibras podem ser tecidas em pano (roupas à prova de fogo).

• O silicato tridimensional forma o quartzo.



Silicatos


Silicatos



Vidro• Vidros são o resultado que se obtém quando silicatos são aquecidos

( li õ Si O ã b d ) d i f i d id(as ligações Si-O são quebradas) e depois resfriados rapidamente (as ligações Si-O são formadas outra vez antes que os átomos sejam capazes de se organizarem em um arranjo ordenado).j p g j )

• São usados aditivos para reduzir o ponto de fusão do SiO2.• O vidro em janelas e garrafas é chamado vidro de soda-cal (CaO e

N O ã d di i )Na2O são usados como aditivos).• O CaO e o Na2O formam calcário (CaCO3) e cinza de soda

(Na2CO3) quando aquecidos.(Na2CO3) quando aquecidos.



Vidro• As propriedades dos vidros são alteradas por aditivos:

– CoO produz vidro de cobalto azul,– K2O produz um vidro mais resistente do que Na2O,– PbO produz vidro de cristal de chumbo (alto índice de refração)

e– B2O3 é usado para fazer Pyrex e Kimax.



Silicones• Os silicones consistem em cadeias de ligações O-Si-O com Si-R

(R = grupo orgânico tal como CH3), preenchendo a valência de Si.• Os silicones podem ser materiais parecidos com óleo ou borracha,

dependendo do comprimento da cadeia e do grau de ligação em cruz.O ili d l b ifi d li d• Os silicones são usados em lubrificantes, ceras de polimento de carros, lacradores, calafetagem e para a fabricação de tecidos à prova d’águaprova d água.


BoroBoro

• Boranos: compostos de boro e hidrogênio.• O BH3 reage com ele mesmo para formar diborano, B2H6.• Hidrogênio aparece para formar duas ligações.• O diborano é muito reativo:

B2H6(g) + 3O2(g) → B2O3(s) + 3H2O(g), ΔH = -2030 kJ.• Alguns boranos são reativos (B5H9) enquanto outros são estáveis

ao ar à temperatura ambiente (B10H14).• O B2O3 é o único óxido de boro importante.


Fi d C ít l 22Fi d C ít l 22Fim do Capítulo 22Fim do Capítulo 22Química dos nãoQuímica dos não--metaismetaisQQ
